Диатомит ( диатомовая земля , кизельгур ) , также известный как диатомит ( диатомит , кизельгур ), целит или кизельгур — это мягкая кремнистая осадочная порода естественного происхождения , которая может быть измельчена в мелкий белый или почти белый порошок. Размер частиц варьируется от более 3 мм до менее 1 мкм , но обычно составляет от 10 до 200 мкм. [ 1] В зависимости от зернистости этот порошок может иметь абразивное ощущение, похожее на порошок пемзы , и имеет низкую плотность из -за высокой пористости . Типичный химический состав высушенной в печи диатомовой земли состоит из 80–90% кремнезема , 2–4% глинозема (в основном за счет глинистых минералов ) и 0,5–2% оксида железа . [2]
Диатомовая земля состоит из окаменелых остатков диатомовых водорослей , типа микроводорослей с твердой оболочкой , которые накапливались в течение миллионов лет. [3] Она используется в качестве фильтрующего средства, мягкого абразива в продуктах, включая полироли для металлов и зубную пасту , механического инсектицида , абсорбента для жидкостей, матирующего агента для покрытий, армирующего наполнителя в пластмассах и резине, антиблокирующего средства в пластиковых пленках, пористой подложки для химических катализаторов, наполнителя для кошачьих туалетов , активатора в исследованиях коагуляции , стабилизирующего компонента динамита , теплоизолятора и почвы для горшечных растений и деревьев, как в искусстве бонсай . [4] [5] Она также используется в газовой хроматографии в насадочных колонках, изготовленных из стекла или металла в качестве неподвижной фазы.
Диатомовая земля состоит из окаменелых остатков диатомовых водорослей, которые накапливались в течение миллионов лет. Обычно она состоит из 80–90% кремнезема, 2–4% глиноземных минералов и 0,5–2% оксида железа, хотя точный состав каждого месторождения отличается. [3] Месторождения могут содержать разное количество кремнезема в зависимости от условий седиментации , наличия других осадков (глины, песка, вулканического пепла) и возраста месторождения ( диагенез , растворение/осаждение кремнезема (SiO 2 ), старение диатомовых тестов). Вид диатомовых водорослей также может различаться в зависимости от месторождения. Вид диатомовых водорослей зависит от возраста и палеоэкологии месторождения. В свою очередь, форма диатомовых водорослей определяется их видом.
Многие отложения по всей Британской Колумбии , такие как Red Lake Earth, относятся к эпохе миоцена и содержат вид диатомовых водорослей, известный как Melosira granulata . Эти диатомовые водоросли имеют небольшую шаровидную форму. Отложения, содержащие диатомовые водоросли этой эпохи, могут обеспечить определенные преимущества по сравнению с другими. Например, диатомовые водоросли эоценовой эпохи не так эффективны в своей способности поглощать жидкости, потому что по мере перекристаллизации более старых диатомовых водорослей их мелкие поры заполняются кремнеземом. [6]
Диатомит образуется путем накопления аморфного кремнезема ( опала , SiO 2 · n H 2 O ) остатков мертвых диатомовых водорослей (микроскопических одноклеточных водорослей ) в озерных или морских отложениях . Ископаемые останки состоят из пары симметричных раковин или панцирей . [2] Морские диатомиты встречаются в сочетании с широким спектром других типов пород, но озерные диатомиты почти всегда связаны с вулканическими породами. Диатомовый кремень состоит из диатомита, сцементированного кремнеземом . [7]
Диатомовые водоросли способны извлекать кремний из воды, насыщенной аморфным кремнием менее чем на 1% (индекс насыщения (SI): -2). Их панцири остаются нерастворенными, поскольку они окружены органической матрицей. Глинистые минералы также могут осаждаться на панцирях и защищать их от растворения в морской воде. Когда диатомовые водоросли умирают, панцирь лишается своего органического слоя и подвергается воздействию морской воды. В результате только от 1% до 10% панцирей выживают достаточно долго, чтобы оказаться погребенными под отложениями, и часть из них растворяется в отложениях. Только приблизительно от 0,05% до 0,15% первоначального количества кремния, произведенного диатомовыми водорослями, сохраняется в осадочной летописи. [8]
В 1836 или 1837 году немецкий крестьянин Петер Кастен обнаружил диатомовую землю (нем. Kieselgur ) , когда бурил колодец на северных склонах холма Хауссельберг , на Люнебургской пустоши в Северной Германии . [9] [10]
Место добычи на Люнебургской пустоши — Нойоэ 1863–1994 гг., места хранения:
Толщина отложений достигает 28 метров (92 фута), и все они состоят из пресноводной диатомовой земли. [ необходима ссылка ]
До Первой мировой войны почти вся мировая добыча диатомита осуществлялась в этом регионе. [ необходима цитата ]
В Польше залежи диатомита обнаружены в Яворнике и состоят в основном из диатомитовых скелетов (панцирей). [11]
В Германии диатомит также добывался в Альтеншлирфе [12] на Фогельсберге ( Верхний Гессен ) и в Кликене [13] ( Саксония-Анхальт ).
В природном заповеднике Соос в Чешской Республике находится слой диатомита толщиной более 6 метров (20 футов). [14]
Месторождения на острове Скай , у западного побережья Шотландии, разрабатывались до 1960 года. [15]
В Колорадо и округе Кларк, штат Невада , США, есть месторождения, толщина которых местами достигает нескольких сотен метров. Морские отложения разрабатывались в формации Сисквока в округе Санта-Барбара, штат Калифорния, недалеко от Ломпока и вдоль побережья Южной Калифорнии . Это крупнейшее в мире месторождение диатомита. [16] Дополнительные морские месторождения разрабатывались в Мэриленде , Вирджинии , Алжире и в МоКлее Дании. Отложения пресноводных озер встречаются в Неваде, Орегоне , Вашингтоне и Калифорнии . Озерные отложения также встречаются в межледниковых озерах на востоке США, в Канаде и в Европе в Германии, Франции, Дании и Чешской Республике. Всемирная ассоциация месторождений диатомита и вулканических отложений предполагает, что наличие кремнезема из вулканического пепла может быть необходимо для толстых отложений диатомита. [17]
Диатомовая земля иногда встречается на поверхности пустынь . Исследования показали, что эрозия диатомовой земли в таких областях (например, впадина Боделе в Сахаре ) является одним из важнейших источников пыли в атмосфере, влияющей на климат. [18]
Кремнистые панцири диатомовых водорослей накапливаются в пресных и солоноватых водно-болотных угодьях и озерах. Некоторые виды торфа и илов содержат достаточное количество панцирей, чтобы их можно было добывать. Большая часть диатомитовой земли Флориды была обнаружена в иле водно-болотных угодий или озер. Американская корпорация диатомита с 1935 по 1946 год перерабатывала максимум 145 тонн в год на своем перерабатывающем заводе недалеко от Клермонта, Флорида . Илы из нескольких мест в округе Лейк, Флорида, высушивали и сжигали ( кальцинировали ) для получения диатомита. [19] Раньше его добывали из озера Миватн в Исландии.
Коммерческие месторождения диатомита ограничены третичным или четвертичным периодами. Более древние месторождения, начиная с мелового периода, известны, но они низкого качества. [17]
В Новой Зеландии были обнаружены богатые ископаемыми залежи диатомита, однако разработка месторождений Фоулден-Маар в промышленных масштабах с целью переработки их в корм для животных вызвала сильное сопротивление. [20]
Диатомит доступен в продаже в нескольких форматах:
В 1866 году Альфред Нобель обнаружил, что нитроглицерин можно сделать гораздо более стабильным, если его поглотить диатомитом ( кизельгуром по-немецки). [21] Это позволило гораздо безопаснее транспортировать и обрабатывать его, чем чистый нитроглицерин в жидкой форме. Нобель запатентовал эту смесь как динамит в 1867 году; смесь также называется гур-динамит в связи с кизельгуром. [22] [23]
Инженер из Целле , Вильгельм Беркефельд, осознал способность диатомита фильтровать и разработал трубчатые фильтры (известные как фильтрующие свечи), обжигаемые диатомитом. [24] Во время эпидемии холеры в Гамбурге в 1892 году эти фильтры Беркефельда успешно применялись. Одна из форм диатомита используется в качестве фильтрующей среды, особенно для бассейнов. Она имеет высокую пористость, поскольку состоит из микроскопически малых полых частиц. Диатомит (иногда называемый торговыми марками, такими как целит) используется в химии в качестве фильтрующего средства для увеличения скорости потока и фильтрации очень мелких частиц, которые в противном случае прошли бы через фильтровальную бумагу или засорили бы ее . Она также используется для фильтрации воды, особенно в процессе очистки питьевой воды и в аквариумах , а также других жидкостей, таких как пиво и вино. Она также может фильтровать сиропы, сахар и мед, не удаляя и не изменяя их цвет, вкус или питательные свойства. [25]
Древнейшее применение диатомита — в качестве очень мягкого абразива, его использовали в зубной пасте , полиролях для металла и некоторых скрабах для лица.
Диатомит представляет ценность как инсектицид из-за своих абразивных и физико- сорбционных свойств. [26] Мелкий порошок адсорбирует липиды из воскообразного внешнего слоя экзоскелетов многих видов насекомых; этот слой действует как барьер, который препятствует потере водяного пара из тела насекомого. Повреждение слоя увеличивает испарение воды из их тел, так что они обезвоживаются, часто со смертельным исходом.
Это также работает против брюхоногих моллюсков и обычно используется в садоводстве для борьбы со слизнями . [27] Однако, поскольку слизни обитают во влажной среде, эффективность очень низкая. Диатомит иногда смешивают с аттрактантом или другими добавками для повышения его эффективности.
Форма диатомовых водорослей, содержащихся в отложении, не влияет на их функциональность, когда дело доходит до адсорбции липидов; однако, некоторые приложения, такие как для слизней и улиток, работают лучше всего, когда используется диатомовая водоросль особой формы, что предполагает, что адсорбция липидов не является единственным вовлеченным фактором. Например, в случае слизней и улиток, крупные, колючие диатомовые водоросли лучше всего работают, чтобы разорвать эпителий моллюска. Панцири диатомовых водорослей будут работать в некоторой степени на подавляющем большинстве животных, которые подвергаются линьке при сбрасывании кутикулы , таких как членистоногие или нематоды . Это также может иметь другие эффекты на лофотрохозойных , таких как моллюски или кольчатые черви .
Медицинский диатомит изучался на предмет его эффективности в качестве средства для дегельминтизации крупного рогатого скота; в обоих упомянутых исследованиях группы, получавшие лечение диатомитом, не показали лучших результатов, чем контрольные группы. [28] [29] Его обычно используют вместо борной кислоты и можно использовать для контроля и, возможно, устранения постельных клопов , [30] клещей домашней пыли , тараканов , муравьев и блох . [31]
Диатомит широко применяется для борьбы с насекомыми в зернохранилищах. [32] Он используется для контроля каннибалистического поведения у запутавшихся мучных хрущаков , которые заражают хранилища муки.
Чтобы быть эффективным в качестве инсектицида, диатомовая земля должна быть некальцинированной (т. е. не должна подвергаться термической обработке перед применением) [33] [ необходим лучший источник ] и иметь средний размер частиц менее 12 мкм (т. е. пищевой категории — см. ниже). [ необходима ссылка ]
Хотя пестициды, содержащие диатомовую землю, считаются относительно малоопасными, они не освобождаются от регулирования в Соединенных Штатах в соответствии с Федеральным законом об инсектицидах, фунгицидах и родентицидах и должны быть зарегистрированы в Агентстве по охране окружающей среды . [34]
Его тепловые свойства позволяют использовать его в качестве барьерного материала в некоторых огнестойких сейфах. [ требуется цитата ] Он также используется в вакуумной порошковой изоляции для использования в криогенике. [35] Диатомитовый порошок вводится в вакуумное пространство для повышения эффективности вакуумной изоляции. Он использовался в классических плитах AGA в качестве теплового барьера. [ требуется цитата ]
Диатомовая земля также находит применение в качестве носителя для катализаторов , обычно служа для максимизации площади поверхности и активности катализатора . Например, никель может быть нанесен на материал — комбинация называется Ni–Kieselguhr — для улучшения его активности в качестве катализатора гидрирования . [36]
Натуральная пресноводная диатомовая земля используется в сельском хозяйстве для хранения зерна в качестве противослеживающего агента , а также как инсектицид. [37] Она одобрена Управлением по контролю за продуктами и лекарствами в качестве кормовой добавки [38] для предотвращения слеживания . [39]
Некоторые полагают, что его можно использовать в качестве натурального антигельминтного средства (средства от глистов), хотя исследования не показали его эффективности. [28] [29] Некоторые фермеры добавляют его в корм для скота и птицы , чтобы предотвратить слеживание корма. [40] «Пищевой диатомит» широко доступен в магазинах сельскохозяйственных кормов.
Пресноводный диатомит можно использовать в качестве питательной среды в гидропонных садах.
Он также используется в качестве среды для выращивания в горшках, в частности, в качестве почвы для бонсай . Любители бонсай используют его в качестве добавки к почве или сажают дерево бонсай в горшок с 100% диатомовой землей. В овощеводстве его иногда используют в качестве кондиционера почвы , поскольку, как и перлит , вермикулит и керамзит , он удерживает воду и питательные вещества, при этом быстро и свободно дренируя, обеспечивая высокую циркуляцию кислорода в среде выращивания.
Натуральная высушенная, не прокаленная диатомовая земля регулярно используется в исследованиях питания скота в качестве источника кислотонерастворимой золы (AIA), которая используется в качестве неперевариваемого маркера. Измеряя содержание AIA относительно питательных веществ в тестовых диетах и фекалиях или пищеварении, взятых из терминальной подвздошной кишки (последняя треть тонкого кишечника), можно рассчитать процент переваренного питательного вещества с помощью следующего уравнения:
где:
Многие исследователи предпочитают использовать природный пресноводный диатомит, а не оксид хрома, который широко используется для тех же целей, поскольку последний является известным канцерогеном и, следовательно, представляет потенциальную опасность для исследовательского персонала.
Отработанную диатомовую землю, получаемую в процессе пивоварения , можно добавлять в керамическую массу для производства красного кирпича с более высокой открытой пористостью. [41]
Диатомовая земля считается весьма важным неорганическим неметаллическим материалом, который может быть использован для производства различных видов керамики, включая производство пористой керамики с использованием низкотемпературной гидротермальной технологии. [42]
Диатомит используется в некоторых домашних продуктах, где сухость или способность отводить влагу имеют решающее значение. В частности, существуют коврики для ванной из ДЭ, которые впитывают воду от купающегося и позволяют ей распространяться по материалу и быстро испаряться. Существуют также ложки из ДЭ для черпания сахара и других гигроскопичных кухонных ингредиентов.
Некоторые виды бактерий в океанах и озерах могут ускорить скорость растворения кремния в мертвых и живых диатомовых водорослях, используя гидролитические ферменты для расщепления органического материала водорослей. [43] [44]
Климат Земли зависит от пыли в атмосфере , поэтому определение основных источников атмосферной пыли важно для климатологии . Недавние исследования показывают, что поверхностные отложения диатомита играют важную роль. Исследования показывают, что значительное количество пыли поступает из впадины Боделе в Чаде , где штормы толкают диатомитовый гравий по дюнам , создавая пыль путем абразивного истирания . [45]
Вдыхание кристаллического кремнезема вредит легким, вызывая силикоз . Аморфный кремнезем считается малотоксичным, но длительное вдыхание вызывает изменения в легких. [46] Диатомовая земля в основном состоит из аморфного кремнезема , но содержит некоторое количество кристаллического кремнезема, особенно в соленой форме. [47] В исследовании 1978 года среди рабочих, которые подвергались воздействию натурального диатомита в течение более пяти лет, не было никаких значительных изменений в легких, в то время как у 40% тех, кто подвергался воздействию кальцинированной формы, развился пневмокониоз . [48] Современные стандартные составы диатомита безопаснее в использовании, поскольку они в основном состоят из аморфного кремнезема и содержат мало или совсем не содержат кристаллического кремнезема. [49]
Содержание кристаллического кремнезема в диатомовой земле регулируется в Соединенных Штатах Управлением по охране труда и промышленной гигиене (OSHA). Существуют руководящие принципы Национального института охраны труда и промышленной гигиене , которые устанавливают максимально допустимые количества в продукте (1%) и в воздухе вблизи зоны дыхания рабочих, с рекомендуемым пределом воздействия в 6 мг/м3 в течение 8-часового рабочего дня. [49] OSHA установило допустимый предел воздействия для диатомовой земли в размере 20 млн. куб. футов (80 мг/м3 / %SiO2 ) . При уровнях 3000 мг/м3 диатомовая земля становится непосредственно опасной для жизни и здоровья. [50]
В 1930-х годах было обнаружено, что длительное профессиональное воздействие среди рабочих, занятых в производстве кристобалитовой диатомовой земли, которые в течение десятилетий подвергались воздействию высоких концентраций кристаллического кремнезема в воздухе, приводило к повышенному риску развития силикоза . [51]
Диатомит, производимый для фильтров бассейнов, обрабатывается при высокой температуре ( кальцинирование ) и с использованием флюсующего агента ( кальцинированной соды ), в результате чего ранее безвредный аморфный диоксид кремния принимает кристаллическую форму. [49]